Слева: создание барьера в плазме для подтверждения тепла внутри. Справа: при преодолении барьера была обнаружена турбулентность, которая движется быстрее, чем тепло, поскольку тепло уходит изнутри плазмы. Предоставлено: Национальный институт термоядерной науки.

Чтобы получить термоядерную энергетическую установку, необходимо стабильно удерживать плазму температурой более 100 миллионов градусов Цельсия в магнитном поле и поддерживать ее в течение длительного времени. Исследовательская группа под руководством доцента Наоки Кенмоти, профессора Кацуми Ида и доцента Токихико Токудзава из Национального института термоядерных наук (NIFS), Национальных институтов естественных наук (NINS), Япония, с использованием измерительных приборов, разработанных независимо и в сотрудничестве. Профессор Дэниел Дж. ден Хартог из Висконсинского университета, США, впервые обнаружил, что турбулентность движется быстрее, чем тепло, когда тепло уходит в плазму в Большом спиральном устройстве (LHD). Одна характеристика этой турбулентности позволяет предсказывать изменения температуры плазмы.

В высокотемпературной плазме, удерживаемой магнитным полем, возникает «турбулентность» — течение с вихрями различных размеров. Эта турбулентность вызывает возмущение плазмы, и тепло от удерживаемой плазмы уходит наружу, что приводит к падению температуры плазмы. Чтобы решить эту проблему, необходимо понять характеристики тепла и турбулентности в плазме. Однако турбулентность в плазме настолько сложна, что мы еще не достигли ее полного понимания. В частности, не совсем понятно, как генерируемая турбулентность перемещается в плазме, поскольку для этого требуются инструменты, которые могут измерять временную эволюцию мельчайших турбулентностей с высокой чувствительностью и чрезвычайно высоким пространственно-временным разрешением.

В плазме может образоваться «барьер», который блокирует передачу тепла от центра наружу. Барьер создает сильный градиент давления в плазме и создает турбулентность. Доцент Кенмоти и его исследовательская группа разработали метод преодоления этого барьера путем создания магнитного поля. Этот метод позволяет нам сосредоточиться на тепле и турбулентности, которые интенсивно текут при разрушении барьеров, и детально изучить их взаимосвязь. Затем, используя электромагнитные волны различных длин волн, мы измерили изменение температуры и теплового потока электронов, а также мелкодисперсную турбулентность миллиметрового размера с самым высоким в мире уровнем точности. Ранее было известно, что тепло и турбулентность движутся почти одновременно со скоростью 5000 километров в час, что примерно равно скорости самолета, но этот эксперимент привел к первому в мире открытию турбулентности, движущейся впереди тепла со скоростью 40 000 километров в час. Скорость этой турбулентности близка к скорости ракеты.

Доцент Наоки Кенмоти говорит, что «это исследование значительно продвинуло наше понимание турбулентности в термоядерной плазме. Новая характеристика турбулентности, заключающаяся в том, что она движется намного быстрее, чем тепло в плазме, указывает на то, что мы можем предсказывать изменения температуры плазмы, наблюдая прогнозируемая турбулентность. В будущем на основе этого мы рассчитываем разработать методы контроля температуры плазмы в режиме реального времени».

Исследование было опубликовано в Scientific Reports.